Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Схема дендрита по Чернову Д. К.

Полиморфные превращения в металлах. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Сплав, компонент, фаза, система. Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Правило фаз. Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси; химические соединения; твердые растворы. Схема микроструктуры Кристаллическая решетка Схема микроструктуры механической смеси химического соединения твердого раствора

Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния системы с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (1 рода) (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Микроструктура

Внутренняя структура и состав металлов неоднородны, так как обычно они состоят из многочисленных зёрен в виде прилегающих друг к другу кристаллитов. Чаще всего эти неоднородности имеют микроскопические размеры, поэтому соответствующие разновидности внутренней структуры называются микроструктурами. Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

С точки зрения геометрических параметров микроструктуры могут различаться по величине, форме и ориентировке зёрен. Различия в составе характеризуются относительным количеством зёрен присутствующих фаз и локальной сегрегацией внутри отдельных зёрен.

Наиболее характерной особенностью микроструктуры является присутствие внутренних границ, разделяющих зёрна в металле.

Независимо от того, будут ли это границы между разориентированными зернами одной фазы или между зернами различных фаз, они представляют собой резкие изменения внутренней структуры металла. Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Микроструктура и соответственно свойства металла не постоянны, они могут видоизменяться под влиянием различных внешних факторов, таких как:

  • механические силы,
  • тепловое воздействие,
  • химическое взаимодействие.

Поэтому микроструктура зависит от режимов обработки и условий эксплуатации металла.

©ИЦМ(www.modificator.ru)

В металле, содержащем только одну фазу, микроструктуры могут отличаться друг от друга лишь величиной зерна, его формой и ориентировкой.

Микроструктуры многофазных материалов различаются не только по размеру, форме и ориентировке зёрен, как это характерно для однофазных металлов, но также и по относительному количеству и взаимному расположению двух или более присутствующих фаз.

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Микроструктура — это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа.

Анализ микроструктуры даёт возможность определить величину и расположение зёрен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявить микродефекты (см. Дефекты отливок), а также некоторые дефекты кристаллического строения (дислокации и их скопления).

Закономерности образования структуры металлов и сплавов исследует Металлография, изучая макро- и микроструктуру металла, атомно-кристаллическое строение, влияние структуры на механические, электрические, магнитные и другие свойства.

Микроструктура металлического материала определяется формой, размерами, относительным количеством и взаимным расположением кристаллов отдельных фаз или их совокупностей, имеющих однообразный вид.

Под тонкой структурой (субструктурой) понимают строение отдельных зёрен, определяемое расположением дислокаций и других дефектов кристаллической решётки. Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

©ИЦМ(www.modificator.ru)

Микроструктуру сплавов изучают под микроскопом при различных увеличениях на хорошо приготовленных шлифах. Для выявления микроструктуры сплавов применяют следующие методы: химическое травление, электролитическое травление, магнитный метод, тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное травление, усиление рельефа микроструктуры после объёмных превращений.

Для выявления микроструктуры используют специально подобранные кислоты и щёлочи различной концентрации, растворы различных солей и их смеси, различные составы электролитов, нагревание до различной температуры на воздухе или в специальной среде газов и паров, нагревание до определённых температур при пропускании электрического тока.

На поверхности шлифа происходит растворение одних фаз, окисление и окрашивание других. В результате на шлифе под микроскопом можно увидеть очертания зёрен и различных фаз, определить их взаимное расположение; по цвету, форме и размерам определить присутствующие в сплаве фазы, то есть выявить микроструктуру сплава. Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

К прямым методам исследования структурного состояния вещества относятся оптическая металлография, электронная микроскопия, рентгеновский анализ и др.

Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы. Оптическим микроскопом можно исследовать и фотографировать детали микроструктуры, размеры которых не превышают 0,4-0,6 мкм. Полученное изображение микроструктуры можно увеличивать, но новые детали структуры при этом не выявляются.

Для того чтобы более глубоко и подробно изучить строение мелкодисперсных структур и границ зерен, блочное строение и дислокационную структуру, применяют метод электронной микроскопии. Применение метода рентгеноструктурного анализа позволяет определить степень совершенства кристаллов, их ориентировку, глубоко изучить структурные изменения.

Для решения задач рентгеноструктурного анализа используют дифрактометры.

©ИЦМ(www.modificator.ru)

После вышеперечисленных подготовительных этапов по выявлению микроструктуры и получению её изображений, сегодня становится целесообразным проведение исследования микроструктуры методами автоматического анализа изображения (ААИ).

Хотя единого стандарта на эти методы пока нет, тем не менее автоматические анализаторы изображения совершенствуются с каждым днём; нормативы на приборы, ПО и методы измерения уже разрабатываются, и справедливо ожидать появления соответствующих стандартов в скором времени.

Дополнительно см. Металлография, Железоуглеродистые сплавы и Изотермическое превращение аустенита.

Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит:

  1. Физическое металловедение. Под редакцией Р. Кана, выпуск 2. — М.: Мир, 1968 — 490 с., ил.
  2. Богомолова Н.А. Практическая металлография: Учебник для техн. училищ. — 2-е изд., испр. — М.: Высш. школа, 1982. — 272 с., ил. — (Профтехобразование. Металлография, металловедение).
  3. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. — 3-е изд. — М.: Металлургия, 1970, 376 с., ил.
  4. Панов А.Г Исследование микроструктуры методами автоматического анализа изображения ImageExpert Pro 3 и ImageExpert Sample 2: Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Методы исследования материалов и процессов». — Наб.Челны: ИНЭКА, 2009, 63 с.

Глава 1. кристаллическое строение металлов

Макеты страниц

Все металлы и металлические сплавы — тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;

повышенной способностью к пластической деформации. Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ.

Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы.

Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами.

Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия «система», «фаза», «структура». Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия у называют системой. Фазой называют однородные

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Рис. 1. Макроструктура излома слитка цинка (а), слитка меди (б) и деформированной стали (в)

(гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30—40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (темплетах). Для приготовления макрошлифа образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле (рис. 1, а, б); волокна (деформированные

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

кристаллиты) в поковках и штамповых заготовках (рис. 1, в), дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.) химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термичес-кой (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает (рис. 2, а, б) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм).

Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.

Применение больших увеличений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, поскольку разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Рис. 3. Микростроение вкутризеренного вязкого излома, X 1000

Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через изучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.

ПЭМ позволяет подробно изучать субструктуру металла. Одно из наиболее важных достижений электронной микроскопии — возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. На рис. 2, в показана микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа.

  • Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которых изображение создается благодаря вторичцой эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.
  • Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность металла, однако он имеет меньшую разрешающую способность (25—30 нм), чем просвечивающий электронный микроскоп.
  • В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют методы фрактографии — области знания о строении изломов.

Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла. Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой технологией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которых работает конструкция.

Изломы изучают на макро- и микроуровне (при увеличениях до 50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой структуры изломов под электронным или растровым микроскопом носит название микрофрактографии (рис. 3).

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции

рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели кроме рентгеновских лучей используют электроны и нейтроны, которые также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами (атомами) металла.

В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение порядка микрометров.

Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные).

В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и др.).

Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура— время) и дилатометрический методу основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.

§ 38. Макро- и микроструктура металлов и сварных соединений [1981 Фоминых В.П., Яковлев А.П. — Ручная дуговая сварка]

Что понимают под структурой металла микроструктурой макроструктурой

Железо, а также сплавы на его основе, в том числе и сталь, являются кристаллическими телами. В каждом кристаллическом теле атомы занимают определенное положение, образуя кристаллическую решетку.

Железо имеет две кристаллические решетки. Это свойство полиморфизма железа определяет многие практические данные свойства сплавов железа.

  • Полиморфизмом называется способность простых и сложных веществ в зависимости от условий кристаллизоваться в различных формах. Железо в зависимости от температуры имеет следующие решетки:
  • до t = 911°С — объемно-центрированного куба (а-железо);
  • от t = 911°С до t = 1392°С — гранецентрированного куба (у-железо);
  • от t = 1392°С до t = 1536°С (температура плавления) — объемно-центрированного куба (δ-железо).

Взаимодействие углерода и других компонентов с модификациями железа приводит к образованию различных структур. Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в у-железе называют аустенитом. Сталь, имеющую аустенитовую микроструктуру, называют аустенитной. Твердый раствор углерода и других легирующих компонентов в а и 5-железе называют а-ферритом и 5-ферритом.

Сталь, имеющую ферритную микроструктуру, называют ферритной. Химическое соединение углерода с железом называют цементитом (карбит железа — Fe3C). Механическую смесь феррита и цементита называют перлитом. Сталь, имеющую перлитную микроструктуру, называют перлитной.

Если в стали увеличено содержание перлита, следовательно, увеличено и содержание углерода, что в свою очередь повышает прочность, снижая пластичность стали.

Феррит при температуре 723°С в твердом растворе может содержать до 0,02 % С, а при комнатной температуре только 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита зависят от наличия и количества элементов, находящихся в феррите. Наибольшее влияние на его свойства в углеродистых сталях и чугуне оказывают кремний и фосфор. Чистый феррит имеет твердость порядка НВ 60.

Цементит — химические соединения углерода с железом Fe3C. Цементит имеет сложную решетку. Цементит до температуры 210°С ферромагнитен и, обладая весьма высокой твердостью (НВ>800), отличается большой хрупкостью. Растворение в цементите марганца, хрома и других карбидо-образователей увеличивает его твердость.

Первичная кристаллизация низко углеродистой стали происходит при температуре 1500- 1520 °С, при которой перемещение атомов железа в жидкой фазе становится несколько затрудненным из-за уменьшения числа пустых узлов и полостей жидкой фазы, в результате чего возникают длительные задержки, достаточные для того, чтобы вокруг задержанного атома сгруппировалось соединение, являющееся очагом или зародышем кристаллизации.

Примеси в сталях можно разбить на две группы: полезные (Cr, Ni, Мn, Si, V, С) и вредные (Н, N, S, О, Р).

Углерод повышает прочность, а в виде Fe3C делает сталь хрупкой. Si образует с кислородом тугоплавкие силикаты, являющиеся центрами кристаллизации, уменьшающими величину зерна.

Металл, имеющий мелкую структуру (мелкие зерна), является более прочным и пластичным, чем металл с более крупной структурой. Si повышает механические свойства, но при его содержании около 1% коррозионные свойства стали понижаются.

Мn образует простые Мn3С и смешанные (MnFe)3C карбиды и легко растворяется как в феррите, так и в цементите, упрочняя их прослойки и являясь ценной легирующей добавкой, повышающей прочность и вязкость (Мn = 1 + 1,5 %). При более высоком содержании Мn сталь приобретает хрупкость.

Сг улучшает вязкость и коррозионную стойкость стали. Сг хорошо растворяется в феррите. Хорошо также растворяются в феррите Mo, Ni, W, V.

Вредными примесями являются: О, S, Р, N, Н. Кислород образует закись железа FeO, растворяющуюся в железе, нарушая целостность и снижая механические свойства. Азот образует с железом нитриды, которые расщепляют и блокируют зерна феррита, вследствие чего сталь становится малопластичной и весьма хрупкой. Азот способствует старению стали, но делает сталь более прочной и износоустойчивой.

Сера образует FeS — сульфид железа. Наличие серы способствует образованию горячих трещин. Вредное действие серы нейтрализуется марганцем, который с серой образует тугоплавкое соединение MnS.

Фосфор образует нестойкий раствор с ферритом и вызывает сильный рост зерна. Фосфор повышает коррозионные свойства стали. Температура, при которой сталь приобретает хрупкость, носит название порога хладноломкости.

При пониженных температурах развивается хрупкость стали.

Для оценки качества сварного соединения исследуют его макро- и микроструктуру. Для определения макроструктуры сварного соединения по его поперечному сечению вырезается образец, поверхность которого проходит травление.

После травления на поверхности шва выступают его слои. Дефекты в шве (поры, трещины, неметаллические включения) видны, как правило, без лупы. На этом же образце под микроскопом рассматривают его микроструктуру при 100-кратном и более увеличениях.

Чем мельче микроструктура, тем лучше качество сварного шва.

Исследование макро- и микроструктуры сварных швов производится в том случае, если оно оговорено в технических условиях на сборку и сварку того или иного изделия.

Методы исследования структуры металлических материалов

Для изучения структуры металлов и сплавов используются различные физические методы, позволяющие на основании регистрации известных физических величин анализировать строение и состояние вещества, а также выявлять характер превращений, протекающих в твердом теле под воздействием внешних причин (нагрев, охлаждение, деформация и т. д.). К ним относятся различные виды микроскопии, а также рентгеноструктурный, резистометрический, дилатометрический, магнитный и другие методы анализа.

Различают макро- и микроструктуру металлических материалов. Соответственно, существует макро- и микроанализ. Под макроструктурой понимают строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 крат).

Макроанализ дает представление об общем строении металла и позволяет оценить его качество после литья, сварки, обработки давлением, термической и химико-термической обработки.

Не выявляя подробностей строения, макроанализ позволяет определить участки металла, требующие дальнейшего микроскопического исследования. Макроанализ проводят на продольных и поперечных макрошлифах (темплетах) и изломах.

Для этого необходим выбор наиболее характерного для изучаемого изделия сечения или излома. Вырезанные темплеты подвергают механической обработке или химическому травлению и исследованию.

С помощью макроанализа можно определить

нарушение сплошности металла (пористость, свищи, подкорковые пузыри, трещины, непровары и газовые пузыри при сварке;

  • — дендритное строение, размеры и ориентацию зерен в литом состоянии, химическую неоднородность литого металла;
  • — волокнистое строение деформированного металла;
  • — вид излома (вязкий, хрупкий, нафталинистый и т. д.);
  • — глубину слоя после химико-термической обработки.

Под микроструктурой понимают строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях (более 50 крат) с помощью микроскопа. Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры специально подготовленных образцов (микрошлифов) при увеличениях от 30-50 до 1500-1800 крат. Микроанализ проводят с целью определения

  • — количества, размеров и типа структурных составляющих;
  • — фазового состава сталей и сплавов;
  • — связи химического состава, условий производства и обработки сплава с его микроструктурой и свойствами.

Изучение микроструктуры осуществляется при помощи

микроскопов. Микроскоп (от греч. mikros — малый и skoped — смотрю) — это оптический прибор, предназначенный для исследования увеличенных изображений микрообъектов, которые невидны

невооруженным глазом. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов, а также микроструктуры макрообъектов. Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопа называют микроскопией.

Основными характеристиками микроскопа являются увеличение и разрешающая способность. Разрешающая способность определяет качество и четкость формируемого изображения — степень проникновения в микромир, т. е. минимальную различимую величину деталей структуры.

Чем больше разрешающая способность, тем больше мелких деталей можно рассмотреть при сильном увеличении. Разрешающая способность характеризуется минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно.

Например, разрешающая способность невооруженного глаза составляет около 0,2 мм.

Разрешающая способность микроскопа определяется длиной волны используемого в микроскопии электромагнитного излучения. Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.

«Глубже» проникнуть в микромир возможно при использовании излучений с меньшими длинами волн, т. е. с более высокой разрешающей способностью микроскопа.

В зависимости от требуемой величины разрешения рассматриваемой микроструктуры микроскопы разделяются на оптические, электронные, рентгеновские, лазерные рентгеновские и специализированные микроскопы.

Основные элементы оптического микроскопа — объектив и окуляр, закрепленные в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик.

В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микровинты для настройки резкости, система управления положением конденсора.

В зависимости от назначения в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.

Специальным видом оптического микроскопа, предназначенного для исследования структуры металлических сплавов и других твёрдых, преимущественно непрозрачных тел, является металлографический микроскоп. Он позволяет рассматривать непрозрачные тела в отраженном свете.

Увеличение современных металлографических микроскопов может быть от 60 крат до 1500 при визуальном наблюдении и до 2000 крат при фотографировании. Разрешающая способность оптического микроскопа не превышает ~ 0,2 мкм (200 нм), а увеличение ~ 2000.

Наиболее широко в металлографических лабораториях применяют микроскопы МИМ-7, МИМ-8, ММУ-3, ММР-4.

Значительно (в 1000 раз) большей разрешающей способностью характеризуется электронный микроскоп. В отличие от оптического микроскопа, в электронном микроскопе используют потоки электронов и магнитные или электростатические линзы.

Использование электронных лучей, которые обладают очень малой длиной волны (порядка 0,1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта с размерами 0,2-0,5 нм. Некоторые электронные микроскопы позволяют увеличивать изображение в 2 млн.

раз, тогда как максимальное увеличение лучших оптических микроскопов достигает 2000 раз. Существуют электронные микроскопы просвечивающего и растрового типа.

По количеству моделей и темпам развития растровые электронные микроскопы опережают просвечивающие электронные микроскопы, хотя последние разработаны и используются значительно раньше.

В растровых электронных микроскопах поверхность исследуемого образца облучается стабильным во времени тонко сфокусированным электронным зондом (с диаметром до 5-10 нм), который совершает возвратно-поступательное движение по линии или развертывается в растр.

(Растр — это совокупность близко расположенных параллельных линий движения зонда, по которым зонд сканирует, т. е. обегает выбранный участок на поверхности образца). При взаимодействии зонда с веществом образца в каждой точке поверхности происходит ряд эффектов, которые регистрируются датчиками. Эти эффекты служат основой для получения информации о строении исследуемых объектов. Изображение объекта формируется на экране электронно-лучевой трубки.

Рентгеновский микроскоп (отражательного или проекционного типа) — это устройство для исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения с разрешающей способностью, достигающей 100 нм, что в 2 раза выше, чем у оптических микроскопов (длина волны рентгеновского излучения на 2 порядка меньше, чем излучение оптического диапазона). В лазерном рентгеновском микроскопе применяются рентгеновские лазерные лучи, обеспечивающие получение изображений на атомном уровне.

Структура

[structure] — собирательное назв. хар-к макро- и микростроения вещ-ва. В металловедении под структурой понимают особенности строения металлов и сплавов, хар-риз. природу (состав), морфологию и рас-полож. разных фаз, а тж. их кол-в, хар-ки.

Различают макро-, микро- и субмикроструктуру; предел понятия структуры в металловедении — атомно-кристаллич. строение. Макроструктура — строение металла, видимое не-вооруж. глазом или при небольших увелич. Изучение макроструктуры сост. предмет макроанализа.

Макроструктуру изучают осмотром пов-ти: полуфабриката или изделия, макро-шлифов-темплетов, вырезанных из заготовки или изделия, изломов. Для выявл. макроструктуры на макрошлифах их пов-ть травят р-рами, содерж. щелочи или кислоты.

Науч. цель макроанализа — установление закономерн. влияния металлургач. и техноло-гич. факторов на формир. макроструктуры.

Практич. назнач. макроанализа — установл. соответ. макроструктуры технич. требов. Макроанализ позвол. выявить форму, размеры и располож. зерен в разных частях изделия, обнаружить макродефекты металла (раковины, пористость, газ. включ., расслоения, микротрещины, крупные неметаллич. включ. и т.д.). Микроструктура — строение металла, выявл.

с помощью свет, и эл-нных микроскопов. Изуч. микроструктур сост. предмет микроанализа. Науч. цель микроанализа — установл. закономерн. влияния металлургач. и технологич. факторов, легирования, термич. обработки и т.п. на формир. микроструктуры. Практич. цель микроанализа — установл. соответ. микроструктуры технич. требов.

Субмикроструктура металла — строение зерен, выявл. методами эл-нной микроскопии, в основном исследов. тонких фолы на просвет. Элементами субмикроструктуры обычно считают детали структуры металла, линейные размеры к-рых меньше разрешающей способности световых микроскопов. При таком определ.

к элементам субмикроструктуры относят субзерна, ячеистую субструктуру, продукты распада пе-ресыщ. р-ров, по крайней мере на начальных стадиях, в частности когерентные и полукогерентные вьщеления, модулир. и нанок-ристаллич. структуры. Цель изучения субмикроструктуры в основном научная (см. тж. Металлография):

видманштеттова структура [Widmanstatten structure] — особая структура доэвтектоид. стали, в к-рой феррит расположен по границам перлит, зерен, образуя сплошную или прерыв.

сетку с иглами, отход, от нее внутрь перлитных зерен; возникает при перегреве в процессе отжига или гор. деформации. В. с. впервые была обнаруж. австр. ученым А. Видман-штеттом и англ, ученым У. Томсоном в начале XIX в. Образование такой структуры обусл.

тем, что сочленение пластин (игл) по определ., сходным по ат. строению плоскостям обеспеч. мин. упр. и пов-тную энергии;

вторичная структура [secondary structure] — микро- и макроструктура, сформиров. в рез-те термич. обработки или пластич. деформ. металла или сплава;

геометрическая структура [geometry structure] — совокуп. точечных, линейных, пов-тных и объемных элементов структуры материала, размещ. определ. образом в простр.;

дендритная структура [dendritic (arborescent, pine-tree) structure] — макро- и Микроструктура литых металлов или сплавов, отдельные зерна к-рых — дендриты (см. тж. Дендрит);

дислокационная структура [dislocation structure] — хар-р распред. и плотн. дислокаций в монокристалле или зерне (см. тж. Дислокация);

доменная структура [domain structure] — магн. структура ферро-, ферри- и антифер-ромагн. монокристаллов или зерен, хар-риз. размером, формой и вз. располож. доменов;

дуальная структура [dual structure] — Микроструктура двухфаз. ферритно-мартенсит. сталей после закалки, представл. мелкозерн. матрицу феррита с равномерно распредел. в ней мартенситными кристаллами, объем, доля к-рых 10-30 %;

Макро — и микроструктура металлов. и сварных соединений

Железо, а также сплавы на его основе, в том числе и сталь, являются кристаллическими телами. В каждом кристаллическом теле атомы занимают определенное положение, образуя кристаллическую решетку.

Железо имеет две кристаллические решетки. Это свойство полиморфизма железа определяет многие прак­тические данные свойства сплавов железа.

  • Полиморфизмом называется способность простых п сложных веществ в зависимости от условий кристалли­зоваться в различных формах. Железо в зависимости от температуры имеет следующие решетки:
  • 1) до /=911° С — объемно-центрированного куба (а-железо);
  • 2) от /—911° С до /=1392° С — гранецентрпрованчо — го куба (у-железо);
  • 3) от /=1392° С до t= 1536° С (температура плавле­ния) — объемно-центрированного куба (6-железо).

Взаимодействие углерода и других компонентов с мо­дификациями железа приводит к образованию различ­ных структур. Твердый раствор углерода и других леги­рующих компонентов в у-железе называют аустенитом.

Сталь, имеющую аустенитовую микроструктуру, называ­ют аустенитной. Твердый раствор углерода и других ле­гирующих компонентов в а и б-железе называют a-фер­ритом и б-ферритом. Сталь, имеющую ферритную микро­структуру, называют ферритной.

Химическое соединение углерода с железом называют цементитом (карбит же­леза— РезС). Механическую смесь феррита и цементи­та называют перлитом. Сталь, имеющую перлитную микроструктуру, называют перлитной.

Если в стали уве­личено содержание перлита, следовательно, увеличено и содержание углерода, что в свою очередь повышает прочность, снижая пластичность стали.

Феррит при температуре 723° С в твердом растворе может содержать до 0,02% С, а при комнатной темпера­туре только 0,006% С. Твердость и механические свой­ства феррита зависят от наличия и количества элемен­тов, находящихся в феррите. Наибольшее влияние на его свойства в углеродистых сталях и чугуне оказыва­ют кремний и фосфор. Чистый феррит имеет твердость порядка НВ 60.

Цементит — химические соединения углерода с же­лезом РезС. Цементит имеет сложную решетку. Цемен­тит до температуры 210° С ферромагнитен и, обладая весьма высокой твердостью (НВ>800), отличается большой хрупкостью. Растворение в цементите марган­ца, хрома и других карбидообразователей увеличивает его твердость.

Первичная кристаллизация низкоуглеродистой стали происходит при температуре 1500—1520° С, при которой перемещение атомов железа в жидкой фазе становится несколько затрудненным из-за уменьшения числа пустых узлов и полостей жидкой фазы, в результате чего возни­кают длительные задержки, достаточные для того, чтобы вокруг задержанного атома сгруппировалось соединение, являющееся очагом или зародышем кристаллизации.

Примеси в сталях можно разбить на две группы: по­лезные (X, Ni, Mn, Si, V, С) и вредные (Н, N, S, О, Р).

Углерод повышает прочность, а в виде РезС делает сталь хрупкой. Si образует с кислородом тугоплавкие си­ликаты, являющиеся центрами кристаллизации, умень­шающими величину зерна.

Металл, имеющий мелкую структуру (мелкие зерна), является более прочным и пластичным, чем металл с бо­лее крупной структурой. Si повышает механические свойства, но при его содержании около 1 % коррозионные свойства стали понижаются.

Мп образует простые Мп3С и смешанные (MnFe)3C карбиды и легко растворяется как в феррите, так и в це­ментите, упрочняя их прослойки и являясь ценной леги­рующей добавкой, повышающей прочность и вязкость (Мп —1 — 1,5%). При более высоком содержании Мп сталь приобретает хрупкость.

Сг улучшает вязкость и коррозионную стойкость ста­ли Сг хорошо растворяется в феррите. Хорошо также растворяются в феррите Mo, Ni, W, V.

Вредными примесями являются: О, S, Р, N; Н. Кисло­род образует закись железа FeO, растворяющуюся в же­лезе, нарушая целостность и снижая механические свой­ства. Азот образует с железом нитриды, которые расщеп­ляют и блокируют зерна феррита, вследствие чего сталь становится малопластичной и весьма хрупкой. Азот спо­собствует старению стали, но делает сталь более прочной и износоустойчивой.

Сера образует FcS — сульфид железа. Наличие серы способствует образованию горячих трещин. Вредное дей­ствие серы нейтрализуется марганцем, который с серой образует тугоплавкое соединение MnS.

Фосфор образует нестойкий раствор с ферритом и вызывает сильный рост зерна. Фосфор повышает коррозионные свойства ста­ли. Температура, при которой сталь приобретает хруп­кость, носит название порога хладноломкости.

При пониженных температурах развивается хрупкость стали.

Для оценки качества сварного соединения исследуют его макро — и микроструктуру. Для определения макро­структуры сварного соединения по его поперечному сечению вырезается образец, поверхность которого про­ходит травление.

После травления на поверхности шва выступают его слои. Дефекты в шве (поры, трещины, не­металлические включения) видны, как правило, без лупы.

На этом же образце под микроскопом рассматривают его микроструктуру при 100-кратном и более увеличениях.

Чем мельче микроструктура, тем лучше качество свар­ного шва.

Исследование макро — и микроструктуры сварных швов производится в том случае, если оно оговорено в техни­ческих условиях на сборку и сварку того или иного из­делия.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector